Nieuwe studie hoe batterijen uit dunne lucht te bouwen voor koolstofnegatieve auto's

Koolstofnanobuisjes, hier geïllustreerd, zouden gemaakt kunnen worden van kooldioxide uit de atmosfeer; we zouden ze kunnen gebruiken om koolstofnegatieve batterijen te maken. Andrzej Wojcicki / Getty Images

De strijd om de opwarming van de aarde te vertragen, heeft zich voornamelijk gericht op het spenen van mensen om fossiele brandstoffen te verbranden die kooldioxide uitstoten en bijdragen aan het broeikaseffect. Er is ook veel moeite gedaan om manieren te vinden om CO af te vangen₂ uit de lucht en zet het ergens waar het geen kwaad kan doen. De perfecte oplossing zou natuurlijk zijn om beide dingen tegelijk te bereiken. Wat als u CO zou kunnen nemen₂ uit de atmosfeer en gebruik het als een schonere energiebron, waardoor er minder fossiele brandstof hoeft te worden verbrand?

Wetenschappers van de universiteiten van Vanderbilt en George Washington hebben misschien een manier gevonden om precies dat te doen. In een artikel dat vandaag in het American Chemical Society-tijdschrift ACS Central Science is gepubliceerd, beschrijven ze een proces om koolstof uit atmosferische CO te extraheren₂, en gebruik het vervolgens om koolstofnanobuisjes te maken. De nanobuisjes zouden dan worden gebruikt om de grafietelektroden in lithium-ionbatterijen voor elektrisch aangedreven auto's te vervangen. 

In theorie zouden we niet alleen koolstofneutrale, maar ook koolstofnegatieve, elektrische auto's kunnen maken die energie opslaan en milieuschade uit het verleden tegengaan.

"Gezien hun betere prestaties, verwachte lage kosten en vermogen om een ​​broeikasgas te verwijderen, is het waarschijnlijk dat auto's met koolstofnanobuisjes met batterijen de norm zullen worden", zegt een van de wetenschappers, GWU-chemieprofessor Stuart Licht, via e-mail..

In een persbericht waarin de ontwikkeling werd aangekondigd, zei Vanderbilt-assistent-professor werktuigbouwkunde Cary Pint: "Stel je een wereld voor waarin elke nieuwe elektrische auto of batterijinstallatie op netstroom ons niet alleen in staat zou stellen de milieuzonden uit ons verleden te overwinnen, maar ook een stap naar een duurzame toekomst voor onze kinderen bieden. "

Hoe zou dit werken?

De nieuwe methode voor het maken van batterijen maakt gebruik van een proces dat is ontwikkeld door Licht en zijn GWU-collega's om koolstof op te vangen en het te gebruiken om koolstofnanovezels te maken, die kunnen worden gebundeld om nanobuisjes te maken. Dat proces omvat het inzetten van geconcentreerde zonne-energie om een ​​gesmolten bad van chemicaliën te creëren dat 1.380 graden F (749 graden C) bereikt. Wanneer lucht aan de cel wordt toegevoegd, lost het kooldioxide op wanneer het wordt blootgesteld aan de hitte en gelijkstroom van nikkel- en stalen elektroden.

Het Solar Thermal Electrochemical Process (STEP) zet atmosferische kooldioxide om in koolstofnanobuisjes die kunnen worden gebruikt in geavanceerde batterijen. Julie Turner / Vanderbilt University

Terwijl het gas afbreekt, hechten de koolstofmoleculen zich aan de elektroden en vormen ze nanovezels. Nadat Licht en zijn team hun werk in 2015 hadden gepubliceerd, beloofde het een potentiële game-changer te worden. Het bood niet alleen een methode om koolstofnanovezels te maken die goedkoper was dan eerdere methoden, maar het bood ook een manier om enorme hoeveelheden kooldioxide uit de atmosfeer te halen.. 

Toen die ontwikkeling vorig jaar werd aangekondigd, vertelde Licht dat hij van plan was een reeks gigantische C0 te bouwen₂-to-nanofiber plant de grootte van steden in dunbevolkte plaatsen zoals de Australische Outback en de Sahara- en Mojave-woestijnen.

Omdat het zowel supersterk als licht van gewicht is, wordt koolstof nanovezel aangeprezen als het materiaal van de toekomst voor alles van wolkenkrabberliggers tot vliegtuigrompen. Maar koolstofnanobuisjes gemaakt van dergelijke vezels zijn ook behoorlijk goed voor het maken van batterijen, omdat ze door hun grote oppervlak meer lading kunnen opslaan dan andere vormen van koolstof. In 2010 creëerden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology een experimentele batterij met koolstofnanobuisjes die een derde meer capaciteit hadden dan een conventionele lithium-ionbatterij, en tien keer meer vermogen.

De GW- en Vanderbilt-onderzoekers melden dat een lithium-ionbatterij met koolstofnanobuis-elektroden ook iets beter presteert dan een conventionele lithium-ionbatterij, en dat de boost wordt versterkt wanneer de batterij snel wordt opgeladen..

Toen ze de nanobuisjes gebruikten om grafietelektroden te vervangen in een natrium-ionbatterij, een ander type opslag, kregen ze een nog grotere verbetering - ongeveer 3,5 keer de prestatie. Beide typen batterijen uitgerust met koolstofnanobuisjes hebben met succes 10 weken continu opladen en ontladen doorstaan ​​zonder tekenen van vermoeidheid.

Praktische aanvragen voor voorschotten

Volgens Licht zal het plaatsen van batterijen met koolstofnanobuisjes in auto's "broeikasgasemissievrije alternatieven bieden voor de huidige industriële en transportprocessen met fossiele brandstoffen".

Gina Coplon-Newfield, directeur van het Electric Vehicles Initiative van de Sierra Club, zei dat hoewel ze de specifieke kenmerken van de doorbraak van Vanderbilt-GWU nog niet heeft gezien, "het echt intrigerend klinkt." "Over het algemeen worden we erg aangemoedigd door wat we tegenwoordig in de batterijtechnologie zien gebeuren", zegt Coplon-Newfield. "Dat is zowel in termen van technologische vooruitgang als in de kosten die naar beneden gaan."

Het proces om atmosferische kooldioxide te gebruiken om batterijen te maken, hoeft niet alleen voor elektrische auto's te worden gebruikt. Het kan ook worden gebruikt om lithium-ionbatterijen te maken voor elektronische apparaten, en ook in veel grotere batterijen die kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te slaan die wordt opgewekt door zonnepanelen en windturbines..

Het hebben van dat soort opslag is cruciaal voor de ontwikkeling van toekomstige 'slimme' elektriciteitsnetten die afhankelijk zijn van kleinere, gedecentraliseerde bronnen van elektriciteit, in plaats van afhankelijk te zijn van enorme kolencentrales.

Dat is interessant. Het gebruik van batterijen als opslagapparaten voor energie gaat honderden, zo niet duizenden jaren terug.